Grunnskóla eðlisfræði

Rafmagn og segulmagn

Rafhleðsla

Eindir frumeinda og rafmagn

• Allt efni er gert út frumeindum (atómum)
• Atóm er úr róteindum, nifteindum og rafeindum. Róteindir og nifteindir eru í kjarnanum en rafeindirnar eru mislangt frá kjarnanum og raða sér á mismunandi orkuhvel.
• Róteindir og rafeindir búa yfir rafhleðslu.

Rafhleðsla og kraftur

• Kraftur sem dregur hluti saman kallast aðdráttarkraftur.
• Kraftur sem ýtir hlutum frá hvor öðrum kallast fráhrindikraftur.
• Samkynja rafhleðslur hrinda hver annarri frá sér (+og+ eða -og-)
• Ósamkynja rafhleðslur dragast hver að annarri ( + og -)
• Fjöldi rafeinda í frumeind er jafn fjölda róteindanna í sömu frumeind.
• Við núning hluta skiljast rafhleðslur í þeim að. (Dæmi nudda blöðru)

Rafsvið

• Ef tvær hlaðnar eindir nálgast hvor aðra verka þær með vaxandi krafti hvor á aðra.

Stöðurafmagn

• Skilgreina má rafmagn á þann hátt að það sé orka sem byggist á rafeindum sem hafa flust úr stað.
• Stundum flytjast rafeindir frá einum hlut til annars og halda þar kyrru fyrir =>stöðurafmagn.
• Stöðurafmagn myndast þegar rafhleðslur safnast fyrir í hlut.

Aðferður við að hlaða hluti

• Þegar hlutur er hlaðinn með leiðingu verða hlutir að snertast með beinni snertingu. ( Með mjög hárri spennu getur andrúmsloftið byrjað að leiða í stutta vegalengd T.D. eru til þéttar sem hafa loft einangrara og eins og í öllum þéttum þá er ekki um beina snertingu að ræða, heldur inngangsspennu sem lætur þéttin byrja að hlaðast )
• Efni sem flytja rafhleðslur greiðlega kallast leiðarar.
• Efni sem hleypa rafeindum treglega gegnum sig kallast einangrarar.
• Staðbundin hleðsla getur orðið í hlut vegna rafhrifa sem eru fólgin í endurröðun rafhleðslna í hlut. :)

Rafsjá

• Hægt er að greina rafhleslu með tæki sem kallast rafsjá.

Eldingar

• Afhleðsla verður þegar rafhleðslur flytjast frá einhverjum hlut sem þá missir rafhleðslu sína.
• Gott dæmi er elding en í henni losnar óskaplega mikil raforka úr læðingi.

Spenna: Rafeindum ýtt úr stað

• Rafspenna eða spenna er mælikvarði á þá orku sem er fyrir hendi til þess að hreyfa hverja rafeind.
• Því meiri orka sem hver rafeind ber þeim mun meiri er sú orka sem hún getur látið frá sér svo svo og sú vinna sem hún getur framkvæmt.
• Spenna er mæld í einingum sem kallast volt, táknað V.

Streymi rafmagns

• Þegar rafeindum hefur verið komið á hreyfingu geta þær streymt áfram ef við höfum heppilegann farvegur og rafeinda- og spennugjafi sé fyrir hendi.

Rafstraumur

• Streymi rafeinda eftir vír kallast rafstraumur.
• Rafstraumur táknaður I er mældur í einingunni amper; fjöldi rafeinda sem fara fram hjá tilteknum punkti á hverri sekúndu. Eitt amper = 6*1018rafeinda á sek.

Viðnám

• Mótstaða efnis gegn streymi rafmagns nefnist viðnám.
• Viðnám er mælt í einingunni óm (ohm) og táknað Ω.
• Jafna sem kölluð er lögmál Ohms sýnir tenglin milli rafstaums, spennu og viðnáms. Samkvæmt henni er rafstraumur (I) í vír jafn spennunni (V) deilt með viðnáminu (R)
• Rafstraumur = spenna/viðnám eða I = V/R eða amper = volt/óm

Framleiðsla rafstaums

• Rafhlöður: + og – skaut, annað tekur til sín + rafeindir en hitt gefur frá sér - rafeindir og þess vegna myndast spenna þar á milli sem ýtir rafeindunum áfram. Streymið frá neikvæða skautinu til jákvæða.
• Rafgeymar
• Veitir mun meiri orku. Þar eru margar einingar tengdar saman og þá eykst orkan sem þær búa yfir.

Stefna rafstaums

• Jafnstraumur = þegar rafeindir hreyfast alltaf í sömu stefnu. Raforka frá rafhlöðum og rafgeymum er borin með jafnstraumi.
• Riðstraumur = þegar rafeindir hreyfast fram og til baka þ.a. þær breyta stefnu sinni með reglubundnum hætti. Rafmagnið á heimilum berst þangað með riðstraumi.

Raforka og rafafl

• Raforka = orka sem býr í rafmagni eða sá eiginleiki rafmagns að geta framkvæmt vinnu.
• Afl = hversu mikil vinna er unnin á tilteknum tíma.
• Rafafl vélar er því mælikvarði á það hversu mikla orku vélin notar á rímaeiningu.
• Vatt (W) er sú eining sem notuð er til að mæla afl. (Dæmi: Pera notar 230 volta straum og orkan sem kemur frá peru í formi ljóss og hita er 70 wött.)(Dæmi: Pera notar 230 volt deilt með wöttunum 230/70 = 3,3 Amper.))
• Reikna má afl rafmagns: afl = spenna/straumur eða vött = volt/amper.

Straumrásir

• Straumrás eða rafrás þarf að vera hringrás eða braut sem lokast og rafeindir geta streymt eftir.
• Rafmagn berst ekki eftir opinni straumrás. Rafmagn berst eingögnu eftir lokaðri straumrás.

Raðtengdar og hliðtengdar straumrásir

• Í raðtengdri rás eiga rafeindirnar aðeins um eina braut að velja.
• Í hliðtengdri rás eiga rafeindirnar alltaf um nokkrar mismunandi leiðir að velja. (Teikna myndirnar hér til hliðar)

Öryggisreglur sem lúta að rafmagni

1. Aldrei hárþurrku í baði eða adrei snerta raftæki með blautum höndum. Blautur maður getur orðið hluti af straumrás. 2. rafleiðslur mega ekki liggja undir fórum húsgagna. Bilun í leiðslu eða einangrun getur valdið skammhlaupi. 3. Ekki tengja mörg tæki við fjöltengi. Ef straumur verður meiri en rásin þolir getur það valdið skammhlaupi og íkveikju. 4. Ekki skilja tækjasnúrur eftir í sambandi þegar tæki tekin úr sambandi, skipta um ónýta hluti. Ikveikjuhætta. 5. Slökkt á eldavél þegar ekki verið að elda. Íkveikjuhætta. 6. Notaðu aldrei stærri bræðivör en leyfilegt er fyrir viðkomandi lögn. Álag getur orðið of mikið á lögnina og valdið íkveikju.

Vör

• Vörum eða öryggjum er komið fyrir í raflögnum, venjulega í rafmagnstöflu.
• Bræðivör notuð áður fyrr en í dag yfirleitt notað sjálfvör sem er rofi sem rýfir straumrásina við of mikið álag.

Raforka á Íslandi

• Fyrsta vatnsaflsvirkjun landsins sett upp í Hamarkotslæk í Hafnarfirði 1904. 0,009MW (megavött)
• Vatnsaflsstöðvum fór ört fjölgandi.
• Elliðaárstöð 1921 fyrst stöðin sem náði 1MW
• Ljósafossvirkjun 1937 með 8,8 MW
• Írafossvirkjun 1953 með 31 MW
• 1966 var Íslenska álfélagið stofnað
• Álverið í Straumsvík 1969
• Landsvirkjun sett á stofn 1965 og stóð fyrir byggingu Búrfellsvirkjunar (1.áfangi 1969, en hinir tveir 1971-1972) Samtals er afl hennar 210 MW en í 1998 245MW.
• Heildarafl orkuvera Landsvirkjunar var rúm 900MW árið 1995.
• Af vef landvirkjunar: Raforkuframleiðsla Landsvirkjunar inn á flutningskerfi Landsnet nam 7.143 GWst árið 2005. Hlutur vatnsafls í framleiðslunni nam 6.676 GWst og jarðgufustöðva um 6,5%. Hlutur vatnsafls minnkaði um 0,6% á milli ára. Heildarframleiðsla rafmagns í landinu var 8.681 GWst og nemur hlutur Landsvirkjunar um 82% sem er 2% minna en á fyrra ári.

Segulmagn=

• Seguljárnsteinn eða magnetít er segulmagnað grjót. Notað áður fyrr sem leiðarsteinn.
• Segulmagn orsakast af aðdráttar- og fráhrindikröftum sem rekja má til þess hvernig rafeindir hreyfast í efni.

Segulkraftar

• Segulkraftar venjulega sterkastir næst enda og kallast skaut eða segulskaut.
• Norðurskaut = endi sem snýr sér alltaf í norður.
• Suðurskaut = endi sem snýr sér alltaf í suður.
• Ástæðan er að jörðin er segulmögnuð.
• Kraftar seguls gætir allt í kringum hann vegna þess að segulinn hefur í kringum sig segulsvið.

Hvað er segulmagn?

• Þegar rafeindir eru paraðar myndast ekkert segulmagn en þegar frumefni hafa óparaðar rafeindir eins og t.d. járn, kóbalt, nikkel og aðrir málmar raða rafeindirnar sér af handahófi og skipulagslaust. Segulsvið þeirra teygir sig í margar og mismunandi áttir. Ef segulsviðin skipa sér öll í sömu stefnu, það er öll með norðurskautin í sömu átt eykst heildarstykur segulsviðsins og málmurinn verður segulmagnaður.
• Seglar eru til af ýmsum gerðum, bæði myndaðir í nátturinni og gerðir af mönnum.

Segulmagn úr rafmagni

(Hægt að byrja á tilraun þar sem áttaviti hafur við vír sem hleypt er um rafstraum og fylgst með hreyfingu áttavitanáls)

• Segulmagn er nátengt rafmagni vegna þess að þessi fyrirbæri byggjast bæði á hreyfingu rafeinda.
• Þegar rafstraumur flyst eftir vír myndast segulsvið umhverfis vírinn. (með þessu móti hægt að nota rafstaum til aðð búa til segulsvið).
• Gormundinn vír verkar eins og segull þegar rafstraumur fer eftir vírnum, segull öflugri eftir því sem vafningar eru fleiri.
• Rafsegulfræði fjallar um tengslin milli rafmagns og segulmagns
• Sterkir seglar sem eru segulmagnaðir aðeins skamma stund í senn fyrir tilstilli rafmagns kallast rafseglar. Eru t.d. í símum og dyrabjöllum.
• Rafhreyfill er tæki sem breytir raforku í vélræna hreyfiroku. Eru t.d. í ryksugum og hárþurrkum.

Rafmagn úr segulmagni

(Skoða mynd 3-34 og lesa texta hennar. Skoðið myndina gaumgæfulega og greinið frá því hvað þurfi til þess að framleiða rafstraum. Það þarf segul og járnstöng með vírvafningi, athugið að ekkert rafmagn myndist nema vírinn sé á hreyfingu.)

• Þegar leiðari hreyfist í segulsviði flæða rafeindir um leiðarann og mynda rafstaum.
• Stefna rafstraumsins fer eftir því hvernig leiðarinn hreyfist í segulsviðinu.
• Ef leiðarinn hreyfist fram og til baka myndast riðstraumur.
• Árangursríkast er að leiðarinn er látinn mynda lykkju og hann snýst í segulsviðinu eins og í rafli. Rafall breytir hreyfiorku í raforku.
• Stórir raflar sem notaðir eru í orkuverum framleiða gríðarmikla raforku.
• Rafmagn sem framleitt er með rafli er flutt með háspennulínum og miðlað til notenda.

Heimildir

Orka - 3. kafli. 1998. Námsgagnastofnun. Reykjavík.